Fuzja

Gdy połączą się atomy,
z fuzji świecą nasze domy

Chociaż wydawać by się mogło, że człowiek opanował już wszystkie możliwe metody wytwarzania energii, to jest to wciąż odległe marzenie – wiele potencjalnych źródeł pozostaje nieodkrytych. Do niedawna do takich niewiadomych należała również fuzja termojądrowa – proces, dzięki któremu na przykład gwiazdy mogą wysyłać tak olbrzymie ilości energii w przestrzeń kosmiczną.

Reakcja fuzji termojądrowej opiera się o przetwarzanie w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem jąder atomów wodoru w cząsteczki helu. Aby jednak do tego doszło, wodór musi się wcześniej przekształcić w plazmę – gorący zjonizowany gaz, często określany czwartym stanem skupienia. Wymaga to energii, którą można jednak odzyskać w trakcie reakcji. Energia, jaka wytwarzana jest w trakcie fuzji, jest bowiem znacznie większa niż w przypadku rozpadu atomów w klasycznych reaktorach jądrowych. Najefektywniejsze dla uzyskania fuzji są dwa izotopy wodoru: deuter i tryt. Ich reakcja generuje dużą ilość energii przy stosunkowo niskiej temperaturze – jest to kluczowe, ponieważ do przekształcenia ich jąder w stan plazmy potrzebne jest „jedynie” 150.000.000°C (w przypadku innych konfiguracji izotopów temperatura musi być zdecydowanie wyższa). Jeżeli cząsteczki plazmy osiągną odpowiednią gęstość i będą utrzymywane w tym stanie przez wystraczająco długi czas, dojdzie do fuzji.

Występowanie fuzji w przypadku gwiazd udowodniono już w latach 30. XX wieku, jednak przez wiele lat w związku z niewielką użytecznością zjawiska dla celów wojskowych, które zwykle akcelerują testowanie nowych rozwiązań, rozwój technologii stał w miejscu. Zmieniło się to dopiero w latach 60., wraz z wynalezieniem lasera. Użyto go do podgrzewania plazmy, dzięki czemu fuzja mogła zajść przed opuszczeniem przez plazmę komory reaktora. Przełomem w badaniach nad komercyjnym użyciem fuzji było wynalezienie w ZSRR urządzeń tokamak, które zatrzymywały plazmę magnetycznie. Do 1975 na świecie istniało już kilka urządzeń tego typu, a w 1985 roku, dzięki porozumieniu Ronalda Reagana i Michaiła Gorbaczowa, zaczęto prace nad inicjatywą ITER – Międzynarodowym Eksperymentalnym Reaktorem Termonuklearnym.

Dzisiaj w ramach różnych inicjatyw międzynarodowych funkcjonuje kilka reaktorów – między innymi JET (Joint European Torus), czyli europejski prototyp tokamaka, będący najbardziej efektywnym reaktorem w historii (16MW generowanej energii na 24MW włożonej). W 2005 roku na podstawie badań dotyczących jego działania w południowej Francji rozpoczęto budowę tokamaka w ramach ITER – ma on zostać uruchomiony w 2025 roku, a pierwsza fuzja planowana jest na 2035. Urządzenie to będzie generowało moc fuzyjną kilkanaście razy większą niż JET, a w zamierzeniu twórców ma także osiągnąć 10-krotną efektywność energetyczną, czyli 500MW generowanej energii na 50MW zużytej.

Przygotowany przez nas model reaktora fuzyjnego jest oparty na nieco innej technologii niż przedstawiona wyżej: zamiast tokamaka wykorzystaliśmy fuzor, czyli urządzenie, w którym proces generowania plazmy odbywa się w próżni komory reaktora, na drucikach pod napięciem, co redukuje potrzebę stosowania elementów magnetycznych. Reakcja zależna jest jedynie od dopływu elektryczności, w związku z czym może być to pokaz stały.

Mimo, że technologia zastosowana w fuzorach jest mniej efektywna, umożliwia jednak zaobserwowanie reakcji w warunkach pozalaboratoryjnych, przy zachowaniu znacznie większego poziomu bezpieczeństwa. Zaletą fuzorów są także walory wizualne – reakcję fuzji można oglądać przez szybkę bez żadnego ryzyka. Zdecydowaliśmy się na użycie argonu zamiast izotopów wodoru. W stanie plazmy ten pierwiastek wygląda i zachowuje się podobnie jak na przykład deuter, ale w odróżnieniu od niego nie jest radioaktywny, co dodatkowo zwiększa bezpieczeństwo pokazu. Wiąże się to również z niższą temperaturą fuzji – argon wchodzi w wyraźnie widoczny stan plazmy już w około 16.726,85°C.